天然气火炬系统设计浅析

摘要：本文以一个天然气压气站为例，对天然气火炬系统的工艺设计进行介绍，火炬尺寸计算按照API-521规范进行设计，通过泄放计算确定了放空量；通过计算马赫数确定了火炬筒体直径；通过热辐射值的计算确定了火炬筒体高度和火炬辐射半径。

关键词：火炬，放空，热辐射值，筒体高度计算。

中图分类号：S611 文献标识码： A

为保障天然气集输管网安全平稳运行，各集输站场均设置了放空立管，泄放超高限的压力，排放运行作业中的废气或实现紧急状态下的事故放空。放空天然气是一种严重的污染源，而且其主要组分甲烷对远红外辐射的吸收比二氧化碳更强烈，因而具有更强的温室效应。一般情况下均应点火，通过燃烧，使这种可燃、有毒、腐蚀性气体危害变小，同时燃烧释放的热能也将加速排放气体在大气中扩散。设计合理的放空立管能保证火炬燃烧效率、热辐射、噪声和气体扩散等完全满足环境保护有关要求，有效减轻污染和其它公害，改善环境质量，使工程设计的社会效益、经济效益和环境效益相统一。

本文以一个压气站的放空计算为例对火炬系统设计进行了分析、设计、计算。

1. 站场放空系统描述

通常，站场放空分为正常放空和紧急放空，设备检修、压缩机组启停时，放空量较小、放空时间较短，可以直接放空；压气站发生事故或干线事故放空属于紧急放空，此时需考虑阀门关闭后，管道内气体的放空，这种放空量很大，放空操作时需要调节放空阀的开度或开启速度来调节放空时间和放空量，以减少放空时的气体流速、降低噪音。

压气站的压缩机组自带ESD停车系统，当机组故障时（如高温报警，高、低压报警，机组振动等），机组ESD系统启动，机组停机，并对机组进行放空。

压气站进、出站管线上设有紧急截断系统（ESD），该系统包括紧急切断阀和紧急放空阀，当站内事故时（如火灾、地震等），紧急截断阀立即自动关断，将干线来气管线和站场隔开。同时进出站放空管线上的紧急放空阀自动打开，放空管内天然气。

本项目站内的放空采用的是带点火装置的放空管。

2. 站场放空计算

根据API STD 521规定，确定紧急放空系统的尺寸，一般情况下要求约在15min，设备内压力从最初的压力降到设计压力的50%或者690kPa（取小值）。

放空系统泄放量按照放空管的最大排放量确定，气体质量流率根据站内需要放空天然气的管容计算，计算公式如下：

式中 W―放空气体质量流量，kg/h；

D―放空管外径，m；

δ―放空管壁厚，m；

L―两个截断阀之间的长度，m；

ρ―放空气体操作工况下密度，kg/m3；

t―放空时间。

根据API STD 521对站场放空管筒体直径、高度计热辐射距离进行计算：

式中 Ma―马赫数；

W―放空气体质量流量，kg/h；

P2―放空管出口处排放气体压力，kPaA；

Z―压缩因子；

T―放空气体温度，K；

M―放空气体分子量；

d―放空管直径，m。

2.1 设计输入条件

2.2.1 气质组分及输送条件

气质组分如表2.2-1所示：

表2.2-1 气质组分

气体的输送条件如表2.2-2所示：

表2.2-2 气体输送条件

2.2.2 管道设计参数

管道设计参数如表2.2-3所示：

表2.2-3 管道设计参数

3. 火炬计算结果

3.1 计算输入参数和计算结果见表3.1-1：

表3.1-1 放空计算表

3.2 计算结果举例

表3.1-1所示为放空管的计算结果，以进站放空放空管线为例计算如下：

火焰释放总热量计算公式如下（简化法）：

根据Q值，查图3.2-1得火焰长度L=20m

图3.2-1 火焰长度-热量图

风会使火焰倾斜，并改变火焰中心位置。风对火焰在水平和垂直方向上偏移的影响可根据火焰筒顶部风速（u∞）与火炬筒体出口气速（uj）之比确定：

根据计算结果，查图3.2-2可得

=0.91

=0.28

图3.2-2 由侧向风引气的火焰大致变形

图3.2-3描述了放空管高度计算思路，放空管筒体高度计算如下：

式中 D―火焰中心到受热点的距离，m；

Q―火焰释放总热量，kW；

F―辐射率，可根据排放气体的主要成分按表3.2-2取值，本项目F取值为0.2；

K―允许的辐射热强度，如表3.2-3所示，本项目取值为4.73kW/m2；

τ―辐射系数，该系数与火焰中心至受热点的距离及大气相对湿度、火焰亮度等因素有关，当上述距离为30～150m时，可按下式计算辐射系数（r取80%，计算D时，τ先取1）：

表3.2-2 来自气体扩散火焰的热辐射

燃烧器直径（mm） 5.1 9.1 19 41 84 203 406

辐射率F=辐射热/总热量 H2 0.095 0.091 0.097 0.111 0.156 0.154 0.169

C4H10 0.215 0.253 0.286 0.285 0.291 0.28 0.299

CH4 0.103 0.116 0.16 0.161 0.147 - -

天然气（CH4，95%） - - - - - 0.192 0.232

表3.2-3 达到痛感需要的暴露时间

辐射强度kW/m2 痛感时间s

1.74 60

2.33 40

2.90 60

4.73 16

6.94 9

9.46 6

11.67 4

19.87 2

图3.2-3 确定放空管筒体高度的参照图

根据上述公式介绍放空管筒体高度计算如下：

3.3 地面热辐射值核算

距离火炬筒体处30m半径处的地面热辐射值得计算结果如下：

4. 结论

本文通过一个压气站火炬放空计算为例，对天然气火炬放空进行了设计，确定了放空管线尺寸、火炬直径及筒体高度、火炬热敷设半径等参数。

参考文献

1.天然气集输站场放空立管设计. 叶学礼. 天然气工业. 1995.

2.天然气放空系统火炬研究. 肖双斌. 工程硕士学位论文